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JOS DE FIN
DE GRADO / FIN DE MÁS
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(Este documento debe acompañar al Trabajo Fin de Grado (TFG)/Trabajo Fin de Máster (TFM) cuando sea depositado para su evaluación).
D./Dª. __________________________________________________________, con nº de DNI ______________________ en aplicación de lo dispuesto en el art. 14 (Derechos de autor) del Acuerdo de 11 de septiembre de 2014, del Consejo de Gobierno, por el que se aprueba el Reglamento de los TFG y TFM de la Universidad de Zaragoza,
Declaro que el presente Trabajo de Fin de (Grado/Máster) ___________________________________________, (Título del Trabajo) _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ ________________________________________________________________, es de mi autoría y es original, no habiéndose utilizado fuente sin ser citada debidamente.
Zaragoza, ____________________________________
Fdo: __________________________________ JAVIER MARÍN BONÉ
73017301 Y
GRADO
DISPOSITIVO MULTIFUNCIONAL PARA CAPTURA DE ESFUERZOS EN TIEMPO REAL E INTEGRACIÓN CON SISTEMA DE VALORACIÓN FUNCIONAL.
4 SEPTIEMBRE 2015
ÍNDICE.
1. RESUMEN. ... 8 2. ABSTRACT. ... 9 3. OBJETO. ... 10 4. ALCANCE. ... 12 5. ANTECEDENTES. ... 146. METODOLOGÍA Y PLAN DE GESTIÓN DE LA CALIDAD DEL PROYECTO. ... 16
6.1 METODOLOGÍA SEGUIDA EN EL PROYECTO. ... 16
6.2 PROGRAMAS UTILIZADOS PARA LA REALIZACIÓN DEL PROYECTO. ... 16
6.3 METODOLOGÍA ADOPTADA POR EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN. ... 16
6.4 ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD EN EL GRUPO ... 17
7. ESTADO DE LA TÉCNICA. ... 18 7.1 PLATAFORMA DE EQUILIBRIO. ... 18 7.2 DINAMÓMETRO DE MANO. ... 21 7.3 DINAMÓMETRO DE DEDOS. ... 24 7.4 DINAMÓMETRO LUMBAR. ... 25 7.5 DINAMÓMETRO HOMBROS. ... 25
8. NORMATIVA DE APLICACIÓN AL PROYECTO. ... 27
8.1 NORMAS Y REGULACIONES PARA PRODUCTOS MÉDICOS Y SANITARIOS. ... 27
8.2 ERGONOMÍA. ... 27
8.3 REALIZACIÓN DE PROYECTOS. ... 27
8.4 NORMATIVA DE DIBUJO. ... 27
9. PRUEBAS DE VALORACIÓN FUNCIONAL. ... 29
9.2 DINAMÓMETRO DE MANO. ... 29 9.3 DINAMÓMETRO DE DEDOS. ... 30 9.4 DINAMÓMETRO LUMBAR. ... 30 9.5 DINAMÓMETRO HOMBROS. ... 31 10. ESPECIFICACIONES DE DISEÑO. ... 32 10.1 PLATAFORMA DE EQUILIBRIO. ... 32 10.2 DINAMÓMETRO DE MANO. ... 33 10.3 DINAMÓMETRO DE DEDOS. ... 34
11. DISEÑO DEL PRODUCTO. ... 35
11.1 ELECCIÓN DEL SENSOR DE MEDIDA. ... 35
11.2 PLATAFORMA DE EQUILIBRIO. ... 37
11.3 DINAMÓMETRO DE MANO. ... 43
11.4 DINAMÓMETRO DE DEDOS. ... 46
11.5 DINAMÓMETRO DE HOMBROS + LUMBAR. ... 48
12. CONCLUSIÓNES. ... 50
13. DESARROLLOS O MEJORAS FUTURAS. ... 52
14. REFERENCIAS... 53
15. AGRADECIMIENTOS. ... 54
16. ANEXOS. ... 55
16.1 ESTUDIO POR ELEMENTOS FINITOS. ... 55
16.2 CÁLCULO DE ESTABILIDAD. ... 60 16.3 PLANOS. ... 62 16.3.1 ÍNDICE DE PLANOS [0.00]. ... 62 16.3.2 CONJUNTO PLATAFORMA [1.00]... 63 16.3.3 DINAMÓMETRO MANO [2.00]. ... 67 16.3.4 DINAMÓMETRO DEDOS [3.00]. ... 78
16.4 PROTOCOLO DE MEDIDA PLATAFORMA. ... 81
16.4.2 CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO PARA REALIZAR LA PRUEBA. ... 82
16.4.3 POSICIÓN DEL CUERPO NECESARIA PARA REALIZAR LA PRUEBA. ... 83
16.4.4 TIEMPOS Y REPETICIONES DE LAS PRUEBAS. ... 83
16.4.5 RESUMEN DE LAS PRUEBAS A REALIZAR. ... 84
16.4.6 EVALUACIÓN SENSORIAL DINÁMICA (ROMBERG). ... 84
16.4.7 VALORACIÓN DEL CONTROL Y HABILIDAD. ... 95
16.5 CALIBRACIÓN CÉLULA DE CARGA. ... 105
16.6 ESTUDIO ECONÓMICO. ... 114
16.6.1 COSTE MATERIAL PARA EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN. ... 114
16.6.2 ANÁLISIS DE VIABILIDAD DE LA EXPLOTACIÓN COMERCIAL DEL PRODUCTO. ... 117
ÍNDICE DE FIGURAS.
Figura 1: Esquema de funcionamiento de una prueba de valoración funcional. ... 11Figura 2: Análisis de la marcha sobre tapiz rodante con sensores ópticos, grupo ID Ergo. .... 14
Figura 3: Grupos de Investigación y empresas participantes en el proyecto. ... 15
Figura 4: Patente de una plataforma de equilibrio con tres apoyos. ... 18
Figura 5: NeuroCom SMART balance Master. ... 19
Figura 6: NeuroCom BASIC balance Master. ... 19
Figura 7: Plataforma y tapiz NedSVE-IBV. ... 20
Figura 8: Plataformas dinamométricas creadas por las empresas AMTI y KISTLER. ... 20
Figura 9: Ejemplos de otras plataformas creadas por investigadores. (2), (3), (1). ... 20
Figura 10: Patente dinamómetro de presión sobre un objeto. ... 21
Figura 11: Esquema de funcionamiento del dinamómetro japonés. ... 21
Figura 12: Dinamómetro con pantalla sin regulación de apertura. ... 22
Figura 13: Manejo del dinamómetro estadounidense. ... 22
Figura 14: Apertura dinamómetro mano y tabla de dimensiones estándar. (4) ... 23
Figura 16: Dinamómetro electrónico del IBV. ... 23
Figura 17: Dinamómetros “Grip Strength” y “Medisystem”. ... 24
Figura 18: Modelos de dinamómetro jamar. ... 24
Figura 19: Dinamómetro del IBV con gesto de pinza lateral y distal. ... 25
Figura 20: Postura a adoptar para realizar el ejercicio lumbar. ... 25
Figura 21: Elevación frontal y elevación lateral. ... 26
Figura 22: Catálogo célula de carga. ... 35
Figura 23: Certificado de la célula de carga. ... 36
Figura 24: Gráfica de una célula de carga trabajando a tracción... 36
Figura 25: Diseño plataforma de equilibrio... 37
Figura 26: Patas regulables de la plataforma. ... 37
Figura 27: Apoyo de la placa superior en la célula de carga. ... 38
Figura 28: Catálogo SanMetal.Sl. ... 39
Figura 29: Cáncamo y orificio lateral para dinamometría. ... 40
Figura 30: Prototipo de la plataforma. ... 40
Figura 31: Rediseño de contacto entre placa y guía. ... 41
Figura 32: Catálogo tapón para placas MoCap. ... 41
Figura 33: Diseño dinamómetro de mano... 43
Figura 34: Funcionamiento de la traba del dinamómetro. ... 43
Figura 35: Empuñadura dinamómetro de manos. ... 44
Figura 36: Prototipo Dinamómetro mano. ... 45
Figura 37: Diseño dinamómetro de dedos. ... 46
Figura 38: Agarre dinamómetro dedos. ... 46
Figura 39: Carcasa del dinamómetro. ... 47
Figura 40: Prototipo Dinamómetro mano. ... 47
Figura 42: Empuñaduras. ... 48
Figura 43: Prueba de dinamometría lumbar + hombros con sensores ópticos. ... 48
Figura 44: Tensor de cuerda. ... 49
Figura 45: Tensiones para caso 1, espesor 10 mm... 55
Figura 46: Desplazamientos caso 1, espesor 10 mm. ... 56
Figura 47: Coeficiente de seguridad Caso 1, espesor 10 mm. ... 56
Figura 48: Percepción de diseño caso 1, espesor 10 mm. ... 56
Figura 49: Tensiones caso 1, espesor 12 mm. ... 57
Figura 50: Desplazamientos caso 1, espesor 12 mm. ... 57
Figura 51: Coeficiente de seguridad caso 1, espesor 12mm. ... 57
Figura 52: Tensiones Caso 2 con 12mm de espesor. ... 58
Figura 53: Desplazamientos caso 2, espesor 12 mm. ... 58
Figura 54: Percepción de diseño caso 2, espesor 12 mm. ... 59
Figura 55: Hipótesis plataforma viga biapoyada. ... 60
Figura 56: Condición de vuelco. ... 60
Figura 57: Polígono de estabilidad. ... 61
Figura 58: Sistemas sensoriales: visual, vestibular y somato sensorial. ... 81
Figura 59: Ejes del cuerpo humano. ... 81
Figura 60: Entorno virtual para pruebas de estabilidad. Con Motion Capture. ... 83
Figura 61: Condiciones de exploración del análisis sensorial (5). ... 85
Figura 62: Ejes de la plataforma y coordenadas de la posición de las células de carga. ... 86
Figura 63: Centro de gravedad representado sobre la plataforma ... 87
Figura 64: Estatocinesiograma (A) y Estabilograma (B). ... 87
Figura 65: Zonas de la plataforma para realizar los cálculos. ... 88
Figura 66: Modelo de péndulo invertido definido por F. Passariello... 90
Figura 68: Escenario virtual límites de estabilidad. Utilizando Motion Capture. ... 95
Figura 69: Prueba de límites de estabilidad. ... 96
Figura 70: Prueba de control rítmico direccional. Utilizando Motion Capture. ... 100
Figura 71: Montaje para calibración. ... 106
Figura 72: Soporte discos olímpicos. Con carga y sin carga. ... 107
Figura 73: Montaje para compresión. ... 107
Figura 74: Conjunto compresión. ... 108
Figura 75: Montaje para tracción. ... 109
Figura 76: Grafica de voltios - Tiempo a 50 Hz (Captura de tracción). ... 110
Figura 77: Extracción de datos. ... 111
Figura 78: Gráfica Kg- Volts... 112
Figura 79: Gráfica del análisis de sensibilidad, VAN. ... 123
Figura 80: Gráfica del análisis de sensibilidad, TIR. ... 123
ÍNDICE DE TABLAS.
Tabla 1: Dispositivos a desarrollar en el proyecto... 10Tabla 2: Alcance para cada uno del los sistemas diseñados. ... 12
Tabla 3: Especificaciones de diseño. Plataforma de equilibrio. ... 33
Tabla 4: Especificaciones de diseño. Dinamómetro de mano. ... 34
Tabla 5: Especificaciones de diseño. Dinamómetro de dedos. ... 34
Tabla 6: Comparación de las cuatro pruebas de Romberg. ... 94
Tabla 23: Lista de materiales para compresión. ... 108
Tabla 24: Lista de materiales para tracción. ... 109
Tabla 25: Calibración Kg-Volts. ... 112
Tabla 8: Coste materiales del dinamómetro de manos. ... 115
Tabla 9: Coste materiales del dinamómetro de dedos. ... 115
Tabla 10: Coste materiales del dinamómetro de hombros + lumbar... 116
Tabla 11: Coste electrónica. ... 116
Tabla 12: Coste del desarrollo tecnológico de un año en la universidad. ... 117
Tabla 13: Coste de cada plataforma. ... 117
Tabla 14: Coste de dinamometría, electrónica + accesorios. ... 118
Tabla 15: Costes variables. ... 119
Tabla 16: Costes fijos de la empresa. ... 119
Tabla 17: Inversión inicial. ... 120
Tabla 18: Ingresos por ventas y por mantenimiento y soporte. ... 120
Tabla 19: Préstamo bancario. ... 121
Tabla 20: Amortización separado por conceptos. ... 121
Tabla 21: Flujos de caja. ... 122
1. RESUMEN.
El objeto del presente proyecto es el diseño de distintos dispositivos enfocados a pruebas de valoración funcional médica, con los que se pretende evaluar ciertas características de una persona que pueden verse afectadas por distintas patologías del sistema musculoesquelético. En concreto dichos equipos podrán medir parámetros biométricos como la capacidad para mantenerse estable en bipedestación o la fuerza muscular en las manos, los dedos, el hombro o la columna lumbar.
Para tal propósito se ha diseñado una plataforma dinamométrica y un conjunto de accesorios dinamométricos para medir fuerza en diferentes condiciones. Los nuevos equipos diseñados se sumarán e integrarán en el equipamiento de un laboratorio de biomecánica de la Universidad de Zaragoza destinado al análisis y valoración funcional.
El trabajo se ha llevado a cabo en el marco de las actividades de desarrollo realizadas durante este año por el grupo de investigación IDErgo (Investigación y Desarrollo en Ergonomía) de la Universidad de Zaragoza, cuya actividad se realiza en el citado laboratorio. El propósito final del proyecto es desarrollar una instrumentación capaz de proporcionar datos objetivos y reproducibles a los profesionales del ámbito biomédico, al objeto de facilitarles el diagnóstico o la rehabilitación de determinadas patologías. Todo ello reforzado por el hecho de que existe una demanda creciente de instrumentación para objetivar el diagnóstico entre los profesionales relacionados con este campo.
Se incluye un estudio de viabilidad enfocada a una empresa que estuviera interesada en la explotación comercial en el ámbito biomédico de los productos desarrollados en este proyecto.
El uso del nuevo equipamiento desarrollado puede tener diversas aplicaciones, adaptándose al diagnóstico o control de patologías en distintos ámbitos: rendimiento deportivo, rehabilitación, medicina asistencial o medicina legal y forense.
2. ABSTRACT.
Several devices are designed, in this project, for functional medical assessment. The gadgets evaluate the characteristics of a person who may have a disease of the musculoskeletal system. With the apparatus we are able to measure biometric parameters, like stability in standing or strength in hands, fingers, shoulders and lumbar spine.
For this purpose a torque dynamometer platform and different accessories that measure strength have been designed. The new products will be added and integrated into the equipment of a biomechanics laboratory at the University of Zaragoza. The objective of this laboratory is the functional medical assessment.
The work has been carried out, this year, within the research group IDErgo (Research and development in ergonomics) at de University of Zaragoza.
In order to make easier the diagnosis or rehabilitation of certain diseases, the purpose of the project is to develop an instrumentation that provides objective and reproducible data to professionals in the biomedical field.
It’s important the fact that there is a growing demand for instrumentation to objectify the diagnosis in medicine.
A feasibility study focused on a company that would be interested in the commercial exploitation of the products is included in the project.
The use of the new equipment may have different applications, like diagnosis or pathology control in different areas: athletic performance, rehabilitation, medical care, and legal and forensic medicine.
3. OBJETO.
El objeto del presente proyecto es el diseño de distintos dispositivos enfocados a pruebas de valoración funcional médica, con los que se pretende evaluar ciertas características de una persona que pueden verse afectadas por distintas patologías del sistema musculoesquelético. En concreto dichos equipos podrán medir los siguientes paramétricos biométricos:
o Equilibrio o capacidad para mantenerse estable en bipedestación. o Fuerza muscular en:
- Las manos. - Los dedos.
- El hombro y el brazo. - Columna lumbar.
La instrumentación necesaria para ello se agrupa en un mismo proyecto ya que todas las mediciones se pueden realizar utilizando la misma tecnología, en nuestro caso, sensores de fuerza o células de carga.
La medida del equilibrio se toma generalmente con plataformas dinamométricas, en las que el individuo se coloca encima y se mide con sensores, las fuerzas y momentos ejercidos sobre la misma. Por otra parte el método más sencillo para medir la fortaleza muscular, son los ejercicios isométricos, en los cuales ningún músculo varía en longitud. Para ello se suele utilizar dinamómetros que están también basados en estos sensores.
Por lo tanto en el proyecto se diseñan los siguientes dispositivos: Equilibrio Plataforma dinamométrica
Dinamometría
Dinamómetro manos Dinamómetro dedos Dinamómetro hombros Dinamómetro lumbar
Tabla 1: Dispositivos a desarrollar en el proyecto.
Hay que aclarar que la plataforma dinamométrica se la conoce también como plataforma estabilométrica, posturográfica o simplemente de equilibrio.
Los dispositivos diseñados estarán compuestos por una parte mecánica y electrónica (hardware) y otra informática (software). En relación al registro de datos, éstos son procesados por la aplicación informática, la cual genera un informe que deberá ser valorado por un facultativo médico.
Los objetivos que deben cumplir los dispositivos son: o Que permitan un registro continuado de datos.
o Que sean portables, económicos, sencillos en el manejo y evidentes. o Que recojan el modus operandi de los médicos evaluadores.
o Que emitan un informe.
El objetivo final, por lo tanto, es proporcionar datos objetivos y medibles a los profesionales del ámbito biomédico.
Figura 1: Esquema de funcionamiento de una prueba de valoración funcional.
Como puede observarse en el esquema, en una prueba de valoración funcional, primero se toman las medias, después se analizan los resultados en el ordenador, posteriormente se genera un informe y finalmente este informe es analizado por un médico.
Este proyecto se ha llevado a cabo en el marco de las actividades de desarrollo realizadas durante este año por el grupo de investigación IDErgo (Investigación y Desarrollo en Ergonomía)
El grupo de investigación ya ha desarrollado diversas pruebas de valoración funcional integradas en un software propio. De esta manera estos nuevos dispositivos se sumarán al catálogo existente.
En el desarrollo de estos nuevos dispositivos se han construido prototipos físicos de cada uno de ellos y se han realizando pruebas con voluntarios. La finalidad última de este proyecto es publicar los resultados del mismo y que una empresa externa pueda llevar cabo la explotación comercial de estos productos en el entorno biomédico al que van dirigidos.
4. ALCANCE.
En el proceso de diseño de los nuevos dispositivos, se pueden destacar varios hitos que han influido de forma significativa en el desarrollo de los mismos y que han permitido concretar con precisión el alcance final del proyecto.
Estos hitos son los siguientes:
o Completar un estudio de mercado y revisión sistemática relativa al objeto del proyecto.
o Especificaciones de diseño de los dispositivos.
o En base a dicho estudio, proceder al diseño preliminar de los nuevos dispositivos. o Llevar a cabo la fabricación de prototipos físicos de cada producto, por una parte de
la plataforma de equilibrio y por otra de los accesorios para dinamometría.
o Realizar las pruebas oportunas al objeto de que los citados dispositivos funcionen adecuadamente y lograr la necesaria integración con el software de evaluación funcional.
o Probar y revisar los prototipos construidos.
o Establecer un protocolo de medida a efectos de definir la forma de proceder en cada prueba funcional y con cada dispositivo.
o Y finalmente, generar un informe fácilmente interpretable por el facultativo biomédico.
En la siguiente tabla puede observarse cuál es el alcance para cada uno de los dispositivos desarrollados.
Tabla 2: Alcance para cada uno del los sistemas diseñados.
Puede observarse que la plataforma de equilibrio, que es el dispositivo más complejo, queda definida completamente. Por otro lado los dinamómetros son diseñados e integrados en el software del grupo. Resta por realizar los últimos procesos para los dinamómetros.
Como se comprobará a lo largo del trabajo, se incide siempre más sobre los tres primeros dispositivos: la plataforma de equilibrio, el dinamómetro de manos y el dinamómetro de dedos. Esto se debe a que los otros dos dispositivos se tienen previsto que se acoplen a la propia plataforma de equilibrio. La idea es integrar en la plataforma estas dos pruebas
Según lo expuesto, las fases seguidas en el trabajo se pueden resumir en las siguientes actividades: o Revisión de la técnica. o Especificaciones de diseño. o Diseño. - Dimensional - Modelado - Planos
- Análisis por elementos finitos - Análisis de estabilidad
o Construcción de prototipo físico y búsqueda de fallos. o Rediseño.
o Conclusiones.
Indicar que la revisión de la técnica ha implicado abordar, por un lado, el estudio de los productos comerciales, y por otro, aquellos que aún no siendo comerciales, puedan estar protegidos por patentes.
Posteriormente se redactan las especificaciones de diseño y se determina qué sensor se va a utilizar para medir.
Cuando se recopila esta información se procede al diseño de los dispositivos. Así se fabrican varios prototipos que son probados por el grupo de investigación. En estas pruebas se determinan fallos y se plantean posibles mejoras, para llegar a una solución final que está representada en los planos del proyecto.
Finalmente se explicitan las conclusiones, donde se recogen los objetivos alcanzados, así como los futuros desarrollos a llevar a cabo.
Adicionalmente, durante la realización del proyecto, ha sido necesario realizar algunos estudios que complementan las citadas actividades del proyecto:
o Estudio por elementos finitos de algunos componentes. o Cálculo de estabilidad de la plataforma de equilibrio.
o Estudio del protocolo de medida a utilizar, especialmente en las pruebas a realizar sobre la plataforma de equilibrio.
o Calibración de las células de carga, que ha implicado el desarrollo de un procedimiento para su aplicación en la calibración de futuros sensores.
o Estudio económico y de viabilidad, en relación a la posible explotación comercial de la instrumentación resultante.
5. ANTECEDENTES.
Este proyecto nace de una necesidad detectada por parte de los médicos forenses de Instituto de medicina legal de Zaragoza (IMLA), los cuales vienen colaborando con el grupo de investigación IDergo desde hace varios años en distintos proyectos. Dicha necesidad se puede concretar en el hecho de que, según su experiencia, cada vez se precisa más contar con instrumentación que proporcione información objetiva del grado de dolencia que tiene un paciente con una determinada lesión. Esta información puede ser requerida tras un accidente, por un juez o por parte de las compañías aseguradoras.
Por otro lado, el grupo se puso en contacto con profesores de la Universidad de Oviedo que también afirman que estarían interesados en la de implantación de un laboratorio de valoración funcional para realizar estudios comparativos entre personas sanas y patológicas. En este contexto, hace algunos años el grupo de investigación ID Ergo comenzó a diseñar un laboratorio de valoración funcional que integra distintas pruebas de aplicación en ámbito médico forense. En este contexto se enmarca el presente proyecto que pretende sentar las bases de las pruebas de estabilidad y dinamometría que complementaría las ya existentes. Actualmente, en el grupo se realizan estudios biomecánicos relacionados con este campo. Con la utilización de sensores ópticos e inerciales colocados sobre una persona y un software específico desarrollado, es posible capturar el movimiento humano en tiempo real. Gracias a esta tecnología es posible realizar un exhaustivo análisis de la marcha sobre tapiz rodante.
El trabajo se ha realizado dentro del grupo de investigación ID_Ergo de la Universidad de Zaragoza, así mismo se ha colaborado estrechamente para su realización con el grupo HOW Lab (Human Openware Research Lab), el cual ha sido responsable de la instrumentación electrónica necesaria. Finalmente anotar que la fabricación, a partir de los diseños elaborados en este proyecto se ha realizado en las instalaciones de la empresa GAMEC Servicios industriales SL.
6. METODOLOGÍA Y PLAN DE GESTIÓN DE LA CALIDAD DEL PROYECTO.
6.1 METODOLOGÍA SEGUIDA EN EL PROYECTO.
Para realizar el proyecto se ha seguido el siguiente proceso: o Descripción y justificación de las capacidades a evaluar.
o Recopilación de dispositivos existentes, patentes y comerciales.
o Comparativa entre lo existente y nuestra propuesta en términos de funcionalidad, regulación, registro continuado de datos o economía.
o Descripción breve de las normativas aplicables. o Descripción de los dispositivos.
6.2 PROGRAMAS UTILIZADOS PARA LA REALIZACIÓN DEL PROYECTO. Ofimática:
o Microsoft Office Word. o Microsoft Office Excel. o Microsoft Office PowerPoint.
Modelado 3D y análisis por elementos finitos: o SolidWorks. Adobe: o Adobe pdf. o Adobe Illustrator. Programación: o Vizard (Python).
6.3 METODOLOGÍA ADOPTADA POR EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN.
Primeramente se concreta con el coordinador del grupo y el coordinador del proyecto el objeto y el alcance para el trabajo. Esto no es una tarea simple, ya que al ser un trabajo de investigación no se sabe cuál puede llegar a ser la extensión final. Se asume que será inevitable la aparición de contra tiempos y problemas que habrá que solucionar con la mayor eficacia posible.
Posteriormente, se define cual es la metodología seguida para la realización de proyectos en el grupo:
o Siempre que se diseñe un dispositivo, componente o prueba de valoración funcional hay que investigar previamente a cerca de ese tema. Este, es un trabajo personal que hay que plasmar en un informe.
o La información recopilada, se pone en común y se proponen ideas que puedan ser aplicadas dentro de las limitaciones existentes.
o La puesta en común de la información es recíproca y llevada a cabo por todos los miembros del grupo. Así, se intenta que todos colaboren en las reuniones, valorando las posibles soluciones, aportando ideas y ayudando en la medida de lo posible a los demás compañeros.
o Existen reuniones con personas que no forman parte del grupo directamente, por ejemplo médicos o ingenieros, etc. Estas personas pueden ser potenciales clientes a los que se les expone posibles soluciones o bien profesionales que están interesados en investigar sobre una cuestión similar y se les pide consejo y ayuda
6.4 ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD EN EL GRUPO
Para evaluar la calidad hay que tener en cuenta los siguientes 4 puntos de vista:
o Satisfacción Personal. Se trata de asignar a cada uno de los miembros, proyectos que sean acordes a sus gustos y en cierta medida a aquello que han estudiado.
o Satisfacción Cliente. El grupo realiza todos sus proyectos con la finalidad de satisfacer las necesidades de un cliente o posible cliente. Siempre se asegura un trato personal y una preocupación por que las cosas funcionen Además se trata de formar a los nuevos miembros para que sean capaces de abordar problemas que pueden surgirle tanto a clientes actuales como a los anteriores.
o Calidad. El objetivo es hacer productos que cumplan la función como deben y que además aporten un valor añadido a lo ya existente. Gracias a las reuniones se trata de poner sobre la mesa no solo cuestiones técnicas o funcionales sino también otras que pueden ser más subjetivas como las sensaciones, la satisfacción del usuario o incluso los posibles gustos de los consumidores.
o Rentabilidad. Los proyectos han de ser provechosos económicamente y tienen que generar beneficios. Siempre se prefiere hacer los proyectos una vez que se consigue un cliente y no al revés.
7. ESTADO DE LA TÉCNICA.
Este estudio trata de recopilar información acerca de dispositivos o conocimientos que existen actualmente en este campo. Para ello se ha recurrido a patentes, artículos científicos e internet.
7.1 PLATAFORMA DE EQUILIBRIO.
La plataforma dinamométrica permite calcular las fuerzas de reacción del suelo y el momento que ejerce una carga que se sitúe sobre ella, ésta consiste en una plataforma rígida, la cual es construida con una plancha metálica y la medición de la fuerza ejercida se realiza a través el empleo de sensores que pueden ser del tipo piezoeléctrico y resistivo. El principio de este dispositivo es que la plataforma se sitúa sobre unos soportes, también metálicos, y en cada uno de ellos se encuentran los sensores acoplados. Al ejercerse una fuerza sobre la superficie de la plataforma, los soportes sufren una deformación, dicha información de deformación, se asocia a una señal eléctrica originada por los transductores, la cual tienen sus equivalentes en valores de fuerzas con las que se pueden realizar ciertos cálculos, en nuestro caso los desplazamientos del centro de gravedad de una persona que se posiciona en bipedestación sobre la misma. (1)
PATENTES RELACIONADAS. Patente 1.
Descripción: Sistema de medida utilizado en una plataforma dinamométrica con tres apoyos, la medida se toma con galgas extensiométricas que miden la deformación del material. Año de publicación: 2003
País: Francia
Número de patente: FR2836217 (A1)
Título: "CAPTEUR DYNANOMETRIQUE POUR LA REALISATION DE PLATE-FORMES DE POSTURE ET DE PESE"
PRODUCTOS COMERCIALES.
En este punto podemos destacar el siguiente producto dirigido a realizar estudios avanzadas de equilibrio haciendo uso de una plataforma “NeuroCom SMART balance Master”, la cual permite distintos tipos de análisis, desde el diagnóstico de patologías relacionadas con problemas de inestabilidad, hasta el entrenamiento del equilibrio de astronautas en la NASA. Como se comentará más adelante el cuerpo humano tiene varios mecanismos para mantener el equilibrio. Este dispositivo controla el movimiento de la propia plataforma y el movimiento de las paredes adyacentes para anular estos mecanismos y medir cómo se comporta el cuerpo sin ellos.
Figura 5: NeuroCom SMART balance Master.
Este mismo fabricante también comercializa plataformas más sencillas que miden la proyección del centro de gravedad y pasan los datos a un ordenador.
El Instituto de Biomecánica de Valencia (IBV) ha creado también una plataforma que está integrada en el suelo para analizar la pisada cuando se camina encima de ella, permitiendo adicionalmente medir el equilibrio (“NedSVE-IBV”).
El IBV dispone de distintos productos enfocados a este propósito, estableciendo un método para tomar medidas haciendo uso de una plataforma de equilibrio.
Figura 7: Plataforma y tapiz NedSVE-IBV.
Otros fabricantes también se unen a la fabricación de estas plataformas como las compañías AMTI o KISTLER. El precio de uno de estos equipos varía entre $7,500 a $40,000. (1)
Figura 8: Plataformas dinamométricas creadas por las empresas AMTI y KISTLER. Existen además una gran cantidad de plataformas que se han creado por distintos grupos de investigación, estos son algunos ejemplos:
7.2 DINAMÓMETRO DE MANO.
El dinamómetro de mano es un dispositivo que mide la fuerza isométrica realizada al sostener una empuñadura con la máxima fuerza disponible. La empuñadura o los sensores que miden la fuerza pueden ser de distintas características según el fabricante.
PATENTES RELACIONADAS. Patente 1.
Descripción: Sistema que determina la fuerza ejercida mediante la mano y el tronco al empujar o tirar sobre un objeto. El sensor de medida utilizado es una célula de carga tipo S. Año de publicación: 2009
País: España
Número de patente: ES2322417 (A1)
Título: "SISTEMA DE DINAMOMETRIA PARA TECNICAS SANITARIAS MANUALES"
Figura 10: Patente dinamómetro de presión sobre un objeto. Patente 2.
Descripción: Este dinamómetro mide la prensión de manos, al parecer se puede regular la apertura según la necesidad, los datos son pasados al ordenador y se genera un informe. Año de publicación: 1997
País: Japón
Número de patente: JPH09313467 (A) Título: “DYNAMOMETER”
Patente 3.
Descripción: El dinamómetro mide la prensión de manos. Tiene un hueco para introducir los dedos y el valor de la fuerza aparece en una pantalla. En este caso los datos no son introducidos en un ordenador y la apertura no es variable.
Año de publicación: 2002 País: Japón
Número de patente: JP2002345794 (A) Título: “DYNAMOMETER”
Figura 12: Dinamómetro con pantalla sin regulación de apertura. Patente 4.
Descripción: Dinamómetro para medir la prensión de manos, la medición aparece en una pantalla. No puede regularse la apertura.
Año de publicación: 1999 País: Estados unidos
Número de patente: US5904639 (A)
Título: “APPARATUS, SYSTEM, AND METHOD FOR CARRYING OUT PROTOCOL-BASED ISOMETRIC EXERCISE REGIMENS”
PRODUCTOS COMERCIALES.
Existen muchos dinamómetros comerciales para medir la prensión de mano, pero el más utilizado y el que más estudios acapara es el dinamómetro Jamar. Se basa en un sistema hidráulico que da el valor de la fuerza en un manómetro de Bourdon o una pantalla electrónica según el modelo. Tiene 5 posiciones seleccionables que corresponden a unas aperturas de aperturas 1 3/8, 1 7/8, 2 3/8, 2 7/8, 3 3/8 pulgadas. Estas posiciones se consideran las estándar para realizar estudios de fuerza en mano.
Figura 14: Apertura dinamómetro mano y tabla de dimensiones estándar. (4)
En el dinamómetro Jamar, el valor de fuerza es leído por el técnico que recoge los datos y lo apunta, sólo los modelos más avanzados están conectados al computador. El precio aproximado está entre 500 y 700 €.
Figura 15: Algunos modelos de dinamómetro Jamar.
Otro dinamómetro es el desarrollado por el grupo de investigación Valenciano de biomecánica (IBV). Este dinamómetro integra dos en uno solo, el de mano junto al de dedos. La apertura no es regulable. Es electrónico y los datos son recogidos por el ordenador.
Hay otros dinamómetros como el “Grip Strength Dynamometer T.K.K.” de la casa Takei Scientific Instruments u otros como el de MEDISYSTEM que son menos usados por la comunidad científica.
Figura 17: Dinamómetros “Grip Strength” y “Medisystem”. 7.3 DINAMÓMETRO DE DEDOS.
El dinamómetro de dedos es un dispositivo que mide la fuerza isométrica realizada al presionar sobre dos placas paralelas con la máxima fuerza disponible. El gesto que toman los dedos para realizar la fuerza se llama gesto de pinza y puede ser lateral o distal. Las características del agarre o los sensores que miden la fuerza pueden ser diferentes según el fabricante.
PRODUCTOS COMERCIALES.
En este caso la marca Jamar también proporciona dos modelos de dinamómetros de dedos o pinzó-metros que actualmente son los más utilizados. La medida se da en una aguja que marca el valor de fuerza obtenido y en los modelos más avanzados en un panel electrónico. El dinamómetro no está conectado al ordenador.
Como ya se ha comentado el dinamómetro del IBV también sirve como dinamómetro de dedos.
Figura 19: Dinamómetro del IBV con gesto de pinza lateral y distal.
Existen otros modelos de este tipo de dinamómetros pero están muy poco extendidos y no requieren de mención en este estudio.
7.4 DINAMÓMETRO LUMBAR.
De los diversos modelos que existen en la actualidad, todos consisten en un anclaje en el suelo, una cadena y una empuñadura. Normalmente no están conectados a un ordenador. El ejercicio lumbar, además, está perfectamente de definido. Se realiza flexionando ligeramente las rodillas, de tal manera que los hombros y los pies estén alineados. Hay que ajustar la longitud de la cadena según la altura del usuario, agarrar la empuñadura y realizar la máxima fuerza.
Figura 20: Postura a adoptar para realizar el ejercicio lumbar. 7.5 DINAMÓMETRO HOMBROS.
Para medir la fuerza de hombros, actualmente se requiere de dos personas que sujetan dos sirgas desde el suelo. El usuario toma las dos empuñaduras y realiza el ejercicio.
Para medir la fuerza se emplean dos agarres, uno para cada brazo. El ejercicio se realiza igual que el levantamiento de mancuernas. Existen dos ejercicios: elevación frontal y elevación lateral.
8. NORMATIVA DE APLICACIÓN AL PROYECTO.
8.1 NORMAS Y REGULACIONES PARA PRODUCTOS MÉDICOS Y SANITARIOS. CE marcado europeo.
De acuerdo con los principios de la Decisión 768/2008/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de fecha 9 de julio de 2008, el marcado simboliza la conformidad de un producto con los requisitos esenciales de seguridad y salud que le son aplicables e impuestos al fabricante.
Este marcado fijado sobre el producto es una declaración formal (Declaración de conformidad CE) de la empresa fabricante de que el producto es conforme con todos los requisitos comunitarios y de que se han llevado a cabo sobre dicho producto los procedimientos de evaluación de la conformidad que le son de aplicación.
Directiva 2007/47/CE.
Directiva 2007/47/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 5 de septiembre de 2007, por la que se modifica la Directiva 90/385/CEE del Consejo relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre los productos sanitarios implantables activos, la Directiva 93/42/CEE del Consejo relativa a los productos sanitarios y la Directiva 98/8/CE relativa a la comercialización de biocidas.
8.2 ERGONOMÍA. UNE-EN ISO 7250-1:2010.
Definiciones de las medidas básicas del cuerpo humano para el diseño tecnológico. Parte 1: Definiciones de las medidas del cuerpo y referencias (ISO 7250-1:2008).
UNE-EN 547-2:1997+A1:2009.
Seguridad de las máquinas. Medidas del cuerpo humano. Parte 2: Principios para la determinación de las dimensiones requeridas para las aberturas de acceso.
UNE-EN 547-3:1997+A1:2008.
Seguridad de las máquinas. Medidas del cuerpo humano. Parte 3: Datos antropométricos.
8.3 REALIZACIÓN DE PROYECTOS. UNE 157001:2014.
Criterios generales para la elaboración formal de los documentos que constituyen un proyecto técnico.
8.4 NORMATIVA DE DIBUJO. UNE 1032-82.
UNE-EN ISO 286-1:2011.
Especificación geométrica de productos (GPS). Sistema de codificación ISO para las tolerancias en dimensiones lineales. Parte 1: Base de tolerancias, desviaciones y ajustes. (ISO 286-1:2010).
UNE-EN ISO 286-2:2011.
Especificación geométrica de productos (GPS). Sistema de codificación ISO para las tolerancias en dimensiones lineales. Parte 2: Tablas de las clases de tolerancia normalizadas y de las desviaciones límite para agujeros y ejes. (ISO 286-2:2010).
UNE-EN ISO 4063:2011.
Soldeo y técnicas conexas. Nomenclatura de procesos y números de referencia. (ISO 4063:2009, versión corregida 2010-03-01).
UNE 1037:1983.
9. PRUEBAS DE VALORACIÓN FUNCIONAL.
Se ha considerado importante resumir en un capítulo las pruebas de valoración funcional a realizar con cada uno de los dispositivos a diseñar. A continuación se exponen las mismas agrupadas por tipo de dispositivo.
9.1 PLATAFORMA DE EQUILIBRIO. Cómo se utiliza.
El usuario se sube sobre la plataforma en posición de bipedestación. Frente al sujeto se dispondrá de un monitor de dimensiones amplias, a la distancia adecuada y a la altura de sus ojos, donde podrá visualizar la posición de su centro de gravedad. Dicho monitor mostrará los ejercicios a realizar mediante dianas o esferas que ha que intentar seguir moviendo el cuerpo. De la misma manera el operador o técnico correspondiente explicará los ejercicios que hay que hacer y resolverá cualquier duda que el usuario pueda tener. Además el técnico debe estar pendiente de que los ejercicios se realicen por parte del paciente de una forma concreta, ya que hay que llevarlos a cabo siguiendo un protocolo muy concreto. Si la ejecución no fuera correcta las medidas deberían ser desechadas y tomadas de nuevo. Qué se mide.
La plataforma diseñada tiene cuatro sensores, uno en cada esquina, que miden la fuerza sobre cada uno de ellos. Al subirse, cada sensor marca un valor y, como se sabe el dónde está colocado cada sensor, puede calcularse la posición del centro de gravedad en el plano horizontal. Registrando las lecturas de dichas células de carga a una frecuencia de 50Hz, podremos ser capaces de conocer las trayectorias que ha seguido la posición del centro de gravedad a lo largo del tiempo de captura. Dichos cálculos se detallan en el apartado de protocolo de medida.
Pruebas a realizar.
o Evaluación sensorial dinámica.
- Test de Romberg ojos abiertos (ROA). - Test de Romberg ojos cerrados (ROC). - Test de Romberg sobre gomaespuma (RGA).
- Test de Romberg sobre gomaespuma y ojos cerrados (RGC). o Valoración del control de estabilidad.
- Límites de estabilidad. - Control rítmico direcciona.
9.2 DINAMÓMETRO DE MANO. Cómo se utiliza.
El dinamómetro tiene cinco posiciones que corresponden a las aperturas estándar de la empuñadura para este tipo de dispositivos. El operador del sistema debe seleccionar la posición que interese en cada momento. El ejercicio se realiza con la mano desnuda salvo que se requiera el uso de guantes para algún estudio concreto. La palma de la mano se
apoya sobre un lado de la empuñadura y los dedos sobre el opuesto. Posteriormente se procede a realizar la máxima fuerza que sea posible. El sujeto puede tener una pantalla delante en la que ve, en tiempo real, una gráfica que dibuja la fuerza que está realizando en función del tiempo.
Qué se mide.
El funcionamiento es el siguiente: la fuerza ejercida en la empuñadura tracciona el sensor de fuerza y el valor es recogido por el software que controla el dispositivo. En este caso puede calcularse, por ejemplo, cuál es la máxima fuerza realizada o cuál es el tiempo máximo que se mantiene la fuerza por encima de un determinado valor.
Pruebas a realizar.
o Máxima fuerza puntual con la mano.
9.3 DINAMÓMETRO DE DEDOS. Cómo se utiliza.
El proceso de uso es similar que para el dinamómetro de mano, pero en este caso se agarra con los dedos las dos placas. Hay dos maneras de realizar la fuerza según el gesto de pinza de los dedos sea lateral o distal. El técnico indicará cómo realizar la prueba en cada momento e igualmente, el usuario puede ver la fuerza que está realizando en el monitor. Qué se mide.
Al aplicar presión el sensor se comprime y la información queda registrada en el ordenador. Los cálculos a realizar serán los mismos que los realizados para el dinamómetro de manos. Pruebas a realizar.
o Máxima fuerza puntual con gesto de pinza lateral. o Máxima fuerza puntual con gesto de pinza distal.
9.4 DINAMÓMETRO LUMBAR. Cómo se utiliza.
La propia plataforma sirve de base para realizar esta prueba. El sujeto debe subirse a la misma y agarrar la empuñadura. Esta debe regularse para que el ejercicio se realice cómodamente. Las piernas deben estar ligeramente flexionadas de tal manera, que los pies estén alineados con los hombros. Además el ángulo entre brazo y antebrazo debe ser de de 160º aproximadamente, siempre sin llegar al límite ya que se podría producir una lesión. Qué se mide.
La plataforma tiene una anilla de cáncamo pensada para este ejercicio. En esta anilla se pasa una cadena con una empuñadura en el extremo que permite realizar el ejercicio. Entre la cadena y la placa se sitúan dos sensores que registrarán la fuerza. Este valor es llevado a un ordenador que suma el valor de los dos sensores y devuelve la fuerza total que está ejerciendo el usuario.
Pruebas a realizar.
9.5 DINAMÓMETRO HOMBROS. Cómo se utiliza.
En este caso la plataforma también será el soporte físico que servirá de apoyo en la realización de la prueba.
Qué se mide.
Unos ganchos alojados en los laterales de la plataforma permiten fijar dos cuerdas, una para cada brazo, de longitud regulable que tienen en sus extremos una empuñadura. Entre cada cuerda y la plataforma habrá un sensor de media que recoge la fuerza que se efectúa. Como la cuerda no es perfectamente perpendicular al suelo hay que hacer una descomposición de fuerzas. Para ello es necesario saber el ángulo que tiene la misma. Este ángulo será diferente para cada persona según su altura y su longitud de brazo. Se podrá medir en cada caso o bien estimarlo según patrones de normalidad, previsiblemente se elegirá esa segunda opción.
Pruebas a realizar.
o Máxima fuerza puntual con las los hombros en elevación frontal. o Máxima fuerza puntual con los hombros en elevación lateral.
10. ESPECIFICACIONES DE DISEÑO.
En este capítulo de la memoria se describen las bases y datos de partida para el diseño de los distintos dispositivos, resultante de integrar información proveniente de distintas fuentes: el cliente, el emplazamiento y su entorno socio-económico, estudios realizados, interfaces con otros sistemas o elementos externos al proyecto, que condicionan las soluciones técnicas del mismo y de la normativa vigente a aplicar.
Las especificaciones de diseño se clasifican en dos columnas según se refieran a especificaciones relativas al usuario final o bien a especificaciones técnicas requeridas y derivadas de las primeras. Lógicamente estos dos puntos de vista están claramente relacionados como puede comprobarse en las tablas incluidas a continuación.
Hay que explicar que los dinamómetros de hombro y lumbar no tienen sus apartados propios de especificaciones de diseño ya que sus características y requerimientos son evidentes, no obstante al realizarse sobre la plataforma, la misma deberá disponer de determinadas características para su ejecución, consecuentemente influirán en las especificaciones de diseño de la plataforma de equilibrio.
10.1 PLATAFORMA DE EQUILIBRIO.
Especificaciones percibidas por el usuario final. Especificaciones técnicas necesarias. Que cumpla bien su función (Medir el equilibrio en tiempo
real).
Utilizar Sensores de medida fiables con una frecuencia de 50 Hz. Programación testada.
Que tenga garantía de funcionamiento durante el mayor tiempo posible.
Asegurarse de que el diseño es resistente y no se deteriora con el uso. Además ofrecer servicio técnico.
Que sea un instrumento sencillo. Utilizar piezas simples y siempre las que sean estrictamente necesarias.
Que sea de fácil manejo. Impartir sesiones de manejo.
Que pueda ser utilizado por cualquier paciente. Tener en cuenta los percentiles de todas las dimensiones antropométricas implicadas.
Que de una información fiable. Todos los elementos deben ser muy precisos y el error debe estar acotado.
Que no sea muy pesado, ya que debe poder ser manipulado y transportado sin la ayuda de maquinaria.
Se estima que un peso máximo de la plataforma pueden ser 15 kg.
Que sea económico. Ahorrar costes de fabricación.
Que se pueda utilizar en un suelo ligeramente irregular. Que tenga las patas regulables en altura.
Que sea robusto y duradero. Las piezas deben soportar todas las cargas que van a recibir en su uso. El coeficiente de seguridad debe ser alto.
Que sea extremadamente seguro y se eviten caídas, cortes o resbalones.
Estar siempre del lado de la seguridad, evitar aristas vivas y utilizar recubrimientos antideslizantes.
Que sea sencillo de manejar por todos los implicados en su funcionamiento.
Prever un uso intuitivo tanto en el hardware como en el software.
Que alberge la prueba de dinamometría lumbar. Colocar un anclaje en la parte delantera. Carga máxima estimada de 400 Kg.
Que se realice sobre ella la prueba dinamométrica de hombros.
Colocar dos anclajes uno a cada lado. Carga máxima estimada de 50 kg en cada uno.
Que sea estético. Tener en cuenta en el diseño de cada pieza el impacto sobre el usuario final.
Que esté garantizada su legalidad.
Que cumpla la normativa vigente, en cuanto a forma, seguridad y salud. Descrita en el apartado 8 (Normativa de aplicación al proyecto).
Que no se produzca vuelco. Tener en cuenta la posibilidad de que al subir o bajar el paciente pueda situarse en los bordes de la plataforma.
Tabla 3: Especificaciones de diseño. Plataforma de equilibrio. 10.2 DINAMÓMETRO DE MANO.
Especificaciones percibidas por el usuario final. Especificaciones técnicas necesarias. Que cumpla bien su función (Medir la fuerza de la mano en
tiempo real).
Utilizar un sensor de medida fiable con una frecuencia de 50 Hz. Programación testada.
Que tenga garantía de funcionamiento durante el mayor tiempo posible.
Asegurarse de que el diseño es resistente y no se deteriora con el uso. Además ofrecer servicio técnico.
Que sea un instrumento sencillo. Utilizar piezas simples y siempre las que sean estrictamente necesarias.
Que sea de fácil manejo. Impartir sesiones de manejo.
Que pueda ser utilizado por cualquier paciente. Tener en cuenta los percentiles de todas las dimensiones antropométricas implicadas.
Que de una información fiable. Todos los elementos deben ser muy precisos y el error debe estar acotado.
Que sea ligero, ya que debe poder ser manipulado con facilidad.
Se estima que un peso máximo del dinamómetro puede ser de 1 kg aproximadamente.
Que sea económico. Ahorrar costes de fabricación.
Que sea ergonómico y muy cómodo para la mano. Utilizar conocimientos de ergonomía y confort para diseñar la empuñadura.
Que sea robusto y duradero. Las piezas deben soportar todas las cargas que van a recibir en su uso. El coeficiente de seguridad debe ser alto. Que sea extremadamente seguro y se eviten pinchazos,
cortes o pellizcos.
Estar siempre del lado de la seguridad, evitar aristas vivas y utilizar recubrimientos suaves.
Que sea sencillo de manejar por todos los implicados en su funcionamiento.
Prever un uso intuitivo tanto en el hardware como en el software.
Que la apertura de la empuñadura sea regulable. Diseñar mecanismo de regulación en las 5 posiciones estándar de apertura.
Que sea estético. Tener en cuenta en el diseño de cada pieza el impacto sobre el usuario final.
Que esté garantizada su legalidad.
Que cumpla la normativa vigente, en cuanto a forma, seguridad y salud. Descrita en el apartado 6 (Normativa de aplicación al proyecto).
Tabla 4: Especificaciones de diseño. Dinamómetro de mano. 10.3 DINAMÓMETRO DE DEDOS.
Especificaciones percibidas por el usuario final. Especificaciones técnicas necesarias. Que cumpla bien su función (Medir la fuerza de los dedos
en tiempo real).
Utilizar un sensor de medida fiable con una frecuencia de 50 Hz. Programación testada.
Que tenga garantía de funcionamiento durante el mayor tiempo posible.
Asegurarse de que el diseño es resistente y no se deteriora con el uso. Además ofrecer servicio técnico.
Que sea un instrumento sencillo. Utilizar piezas simples y siempre las que sean estrictamente necesarias.
Que sea de fácil manejo. Impartir sesiones de manejo.
Que pueda ser utilizado por cualquier paciente. Tener en cuenta los percentiles de todas las dimensiones antropométricas implicadas.
Que de una información fiable. Todos los elementos deben ser muy precisos y el error debe estar acotado.
Que sea ligero, ya que debe poder ser manipulado con facilidad.
Se estima que un peso máximo del dinamómetro puede ser de 0,5 kg aproximadamente.
Que sea económico. Ahorrar costes de fabricación.
Que sea ergonómico y muy cómodo para los dedos. Utilizar conocimientos de ergonomía y confort para diseñar el agarre.
Que sea robusto y duradero. Las piezas deben soportar todas las cargas que van a recibir en su uso. El coeficiente de seguridad debe ser alto. Que sea extremadamente seguro y se eviten pinchazos,
cortes o pellizcos.
Estar siempre del lado de la seguridad, evitar aristas vivas y utilizar recubrimientos suaves.
Que sea sencillo de manejar por todos los implicados en su funcionamiento.
Prever un uso intuitivo tanto en el hardware como en el software.
Que sea estético. Tener en cuenta en el diseño de cada pieza el impacto estético sobre el usuario final.
Que esté garantizada su legalidad.
Que cumpla la normativa vigente, en cuanto a forma, seguridad y salud. Descrita en el apartado 6 (Normativa de aplicación al proyecto).
11. DISEÑO DEL PRODUCTO.
11.1 ELECCIÓN DEL SENSOR DE MEDIDA.
Existen dos tipos de sensores que se suelen utilizar en las plataformas estabilométricas: o Piezoeléctricos: su componente principal es un material piezoeléctrico, que, a partir
de la aplicación de una carga, genera una diferencia de potencial proporcional a la carga aplicada y a la forma cómo esta se efectuó. Debido a que no actúan de forma continua, sino de manera instantánea, las plataformas construidas con estos elementos, son ideales para pruebas de impacto, como la marcha, el salto y el movimiento.
o Basados en galgas extensiométricas: su componente principal es la celda de carga, cuyo principio de transducción se basa en el fenómeno mecánico de la deformación. Cuando las fuerzas están balanceadas, producen una carga en el cuerpo, lo que causa la deformación, ya sea por presión o estiramiento.
Los dispositivos a construir no pretenden ser utilizados para pruebas de impacto, salto o movimiento, por lo que un sensor basado en galgas extensiométricas cumple perfectamente con las especificaciones requeridas.
De esta manera se ha elegido una célula de carga tipo S de 100 Kg.
Figura 22: Catálogo célula de carga.
Las células de carga utilizadas trabajan a 50 Hz lo que supone tomar 50 datos en un segundo, o lo que es lo mismo, un dato cada 0.02 segundos.
También es importante destacar que pueden trabajar tanto a tracción como a compresión. A tracción el voltaje resultante es positivo y a compresión negativo.
Las células tienen dos orificios roscados (métrica 6) situados en la parte superior e inferior respectivamente. En ellos se puede atornillar ganchos o tornillos que facilitan la aplicación de la carga. Es importante tratar de aplicar la carga en estos puntos ya que las células están pensadas para ello y darán una mejor medida.
Figura 23: Certificado de la célula de carga.
11.2 PLATAFORMA DE EQUILIBRIO.
A partir de los requisitos expuestos previamente y acorde al estado del arte recopilado al respecto, se propone la construcción de una plataforma estabilométrica con unas características muy concretas, las cuales se explicitan a continuación.
Hay algunos fabricantes como el IBV queutilizan plataformas integradas en el suelo, pero que no cumplen uno de los requerimientos iniciales como es la portabilidad. En consecuencia el diseño será independiente del suelo.
De la misma manera otros fabricantes utilizan plataformas que pueden moverse en varios grados de libertad para limitar alguna capacidad del sujeto, pero en algunas publicaciones se afirman que también se puede conseguir utilizando una plataforma fija. Por ejemplo utilizando gomaespuma colocada sobre la misma. (3) (5) (6)
Figura 25: Diseño plataforma de equilibrio.
La plataforma diseñada es cuadrada. Con cuatro patas con rótula y regulables en altura para que puedan nivelarse en suelos que no sean perfectamente planos. Las esquinas son redondeadas por dos motivos: para evitar aristas vivas y para ahorrar peso.
Hay cuatro células de carga, una en cada esquina, estas, están situadas entre dos planchas y trabajan a compresión cuando el sujeto se posicione sobre la plataforma.
Las células serán las encargadas de medir los esfuerzos producidos en la dirección vertical. Por este motivo tienen que ser los únicos elementos que soporten el peso del sujeto. Por otro lado, hay que tener en cuenta que al ser un elemento en el que una persona tiene que subirse, en algún momento va a haber fuerzas transversales, en la dirección horizontal. Y dichas fuerzas pueden llegar a ser de gran intensidad. Si no se utiliza un sistema para absorber estas fuerzas, se podrían dañar las células de carga.
Con el fin de absorber dichas esfuerzos transversales, el sistema utilizado serán unas guías que atraviesan la placa superior. Será significativamente importante que no haya rozamiento ya que se falsearían los resultados medidos. Así que inicialmente se opto por introducir ligeramente las guías en la placa superior. De esta manera se evitan dos problemas: por un lado la superficie de contacto es pequeña (poco rozamiento) y, por otro, cuando el paciente se suba y se modifique ligeramente el ángulo de la placa superior, esta no se quedará enclavada. Durante las pruebas del prototipo fabricado se constató que el funcionamiento era correcto. Pero se planteó un rediseño para esta zona y así evitar algunos problemas detectados que no tienen que ver con el efecto de rozamiento o enclavamiento. Esto se explica más adelante.
El apoyo de la placa sobre las células tiene que ser puntual ya que se requiere una gran precisión y que el esfuerzo recaiga sobre el eje vertical de las células. Por ello se han utilizado tornillos de cabeza de perno con cuello cuadrado. Como la cabeza del tornillo es un casquillo esférico, el apoyo es puntual. Además los tornillos van alojados en el orificio que tienen las células previstas para ello y este agujero está en el eje vertical de las células.
Figura 27: Apoyo de la placa superior en la célula de carga.
Como se ha explicado, la unión entre la placa y la guía no debe tener rozamiento por lo que tolerancia seleccionada para la unión será la siguiente: H8 – e8 (agujero base), que corresponde a un juego mínimo de: 50 μm.
El material utilizado es aluminio AL – 7075 que es muy resistente, económico y aligera mucho el sistema.
Figura 28: Catálogo SanMetal.Sl.
De la misma manera, para aligerar la plataforma se vacía el centro de la placa inferior ya que no va a soportar ninguna carga. Además perforar esta zona no supone ningún cambio a simple vista ya que al estar debajo no va a ser visible para el usuario final.
En la placa superior se ha colocado una argolla de cáncamo donde se anclará la cadena que se utiliza para medir el esfuerzo lumbar. En los laterales se han hecho dos orificios para atornillar dos ganchos con los que se hará la prueba de hombro.
Figura 29: Cáncamo y orificio lateral para dinamometría.
El espesor de la placa superior ha sido cuidadosamente seleccionado dentro de los que proporciona el proveedor (SanMetal.Sl). Para ello se ha hecho un estudio estático de elementos finitos mediante el software de Solid Works (Anexo: Estudio por elementos finitos).
Teniendo en cuenta todo lo expuesto y plasmando en los planos constructivos, la empresa GAMEC.SL, realizó la fabricación acorde a dichos planos.
Figura 30: Prototipo de la plataforma.
Una vez fabricado el primer prototipo se sacaron varias conclusiones importantes:
La plataforma cumple, en general, con las especificaciones principales de diseño, además se integra con el software correctamente.
Hay que destacar que cuanto menos se introduce la placa superior en las guías, mejor es el resultado de las medidas. Si solo se introduce unos 4 mm, funciona perfectamente. En el caso de introducirla más, la placa se queda clavada y no cumple su función.
En cuanto al acabado superficial se pintó con pintura electrostática y el resultado es muy bueno, pero hay que tener en cuenta que no se pueden pintar algunas zonas, como por ejemplo, la unión entre las guías y la placa, ya que se pierden las tolerancias.
El problema que tiene introducir tan poco las guías en la placa es, que cuando el sujeto sube o baja de la plataforma y pone un pie en uno de los bordes, la placa superior se levanta y puede llegar a ser peligroso.
Por lo tanto, hay que plantear una solución para evitar el vuelco. Para ello se ha rediseñado la zona de unión entre la placa y la guía. Esta solución se especifica al detalle en los planos.
Figura 31: Rediseño de contacto entre placa y guía.
Como puede verse en la imagen, se utiliza un sistema desmontable que evita que la placa superior se salga. Todo ello se cubre con un tapón para placas metálicas del fabricante MoCAP SMF 2/1.8 BK1.
Con el rediseño de esta zona, aplicable en las siguientes versiones, se mejoran dos aspectos: o Por un lado se evita el vuelco ya que si la placa se levanta, choca inmediatamente con
la pieza circular.
o Por otro, la zona de contacto entre la guía y la placa se ha reducido al mínimo redondeando el borde de la placa. De esta manera el error cometido por rozamiento será mínimo.
11.3 DINAMÓMETRO DE MANO.
En el dinamómetro de mano se utiliza una célula de carga, el objetivo es construir un agarre que comprima la célula de carga.
Para esta función se ha diseñado un conjunto que consta de dos partes, una fija, que está unida a un extremo de la célula. Y una parte móvil que está unida al otro extremo y que recorre las 5 posibles posiciones que tiene el dinamómetro.
Figura 33: Diseño dinamómetro de mano.
Las posición se selecciona levantando una traba que permite deslizar la parte móvil hasta la posición deseada. Una vez en este punto se vuelve a bajar la traba para que quede fijo.
Figura 34: Funcionamiento de la traba del dinamómetro.
El mango por lo tanto tiene dos partes, una en la que se apoya la palma de la mano y otra en la que se apoyan los dedos. El usuario tendrá que intentar juntar estas dos partes mediante su fuerza humana.
La anchura del mango así como el hueco necesario para que cualquier mano quepa ha sido seleccionada de acuerdo a las tablas de antropometría normalizadas. Todas las aristas del dinamómetro son redondeadas para evitar cualquier corte o arañazo.
Figura 35: Empuñadura dinamómetro de manos.
Las aperturas que tiene el dinamómetro son las estándar, de esta manera muchos estudios realizados pueden compararse directamente.
El ensamblaje del conjunto se hace mediante soldadura. Para montar el dinamómetro se atornilla el eje a la célula. Para evitar posibles desajustes de fabricación y mejorar la precisión, el usuario tiene que atornillar el eje de tal forma que la separación del mango quede a una determinada longitud.
En el diseño se ha previsto un sencillo desmontaje en el cual al sacar dos tornillos y se puede separar las partes del dinamómetro para engrasar, limpiar, reparar, etc.
En cuanto a las tolerancias de fabricación hay varias zonas que son especialmente críticas: Por un lado la parte móvil del dinamómetro tiene que tener holgura respecto de las guías para que pueda desplazarse con facilidad. Así que en esta zona se ha puesto una tolerancia de: h8 – C9 (eje base), que corresponde a un juego mínimo de: 50 μm.
De la misma manera el eje atraviesa la parte móvil del dinamómetro tiene que tener juego para que pueda moverse sin ningún problema. La tolerancia en esta zona es de: h8 – C9 (eje base), que corresponde a un juego mínimo de: 50 μm.
La última tolerancia crítica es la que hay entre la traba y las ranuras del eje, Igual que en los casos anteriores tiene que tener juego. La tolerancia será de: h8 – C9 (eje base), que corresponde a un juego mínimo de: 50 μm.
El prototipo construido, funciona correctamente la única cuestión a mejorar es el acabado superficial. Al aluminio se le dio un tratamiento de anodizado, el problema apareció en las zonas de soldadura, que al haber estado sometidas a altas temperaturas, las propiedades del metal han cambiado y se ven más oscureciddas.
Por ello se propone utilizar pintura electrostática en vez de anodizar las piezas. En este proceso habrá que tener en cuenta que algunas zonas no deben ser pintadas para que los ajustes sigan teniendo las mismas funcionalidades. Todo esto se especifica en los planos.
11.4 DINAMÓMETRO DE DEDOS.
El dinamómetro de dedos funciona con una célula de carga que trabaja a tracción. El sistema transmite las fuerzas ejercidas por los dedos a la célula.
El conjunto tiene dos piezas: por un lado, una carcasa que se une a un lado de la célula y sobre la que se apoya uno de los dedos, Y por otro, otra pieza más pequeña en la que se apoya la otra falange y está unida al otro extremo de la célula.
Figura 37: Diseño dinamómetro de dedos.
La separación de agarre es estándar, así que los estudios que se realicen con el dinamómetro se pueden comparar con los realizados por otros dispositivos.
La pletina superior tiene un hueco en forma de casquillo esférico donde se alojará el pulgar, en el gesto de pinza lateral, o el dedo índice, en gesto de pinza distal.
La parte inferior del dinamómetro es plana para que pueda estar apoyado en una mesa mientras el usuario realiza las pruebas. La carcasa está provista de un hueco para que el cable pase por esa zona.
Figura 39: Carcasa del dinamómetro.
Una vez construido el primer prototipo se vio que funcionaba perfectamente, en cuanto al acabado superficial, no es influyente uno u otro, en este caso se anodizó y queda muy uniforme ya que no tiene ningún tipo de soldadura y no cambia de color. Por otro lado se piensa que la pintura electrostática podría ser una mejor solución para seguir con la mima línea que los demás dispositivos.
11.5 DINAMÓMETRO DE HOMBROS + LUMBAR.
Como se puede observar en el diseño de la plataforma hay unos anclajes para realizar estas dos pruebas.
Para la prueba lumbar, se utilizan dos células de carga y dos agarres como los que puede verse en las imágenes. Para unirlo a la plataforma se emplea una cadena que permite graduar la longitud según se elija un eslabón u otro.
Figura 41: Célula de carga sin funda y con funda.
Las células se protegen con una funda para que no sufran golpes al montar o desmontar las pruebas.
Figura 42: Empuñaduras.
En la prueba de hombros, se utilizan dos células de caga una y dos empañaduras para cada brazo.
Como puede observarse en la imagen, en la prueba de dinamometría de hombros se utiliza una cadena, pero por la dificultad de manipular el peso de la misma y las bajas cargas que se manejan en esta posición, se ha sustituido la cadena por una cuerda y un tensor que modifica su longitud.
